CSP连铸辊套毛坯成型与热处理工艺研究

张志学，孟 辉

（邯郸钢铁集团设备制造安装有限公司，河北 邯郸 056000）

全球有60多条CSP薄板坯连铸连轧生产线，国内约有10条，其具有流程紧凑、投资少、能耗低等优势，而且生产效率也是比较高的。此类生产线中的连铸机多采用立弯式薄板坯连铸机，其中连铸辊采用辊套加芯轴模式，辊套采用2Cr13马氏体不锈钢制造，具有一定的耐热性和耐磨性。一般制造工艺过程，连铸辊辊套多采用2Cr13轧制圆钢或锻圆钢掏孔加工制造，材料浪费，加工较长、费用较高[1]。

1 CSP连铸辊毛坯成型工艺方案

1.1 毛坯成型工艺方案的比较与确定

由于CSP连铸辊辊套是空心筒型结构，毛坯成型方式可以分为三种，即锻轧圆钢加工成型、离心铸造加工成型和厚壁无缝管加工成型，这三种成型方法各有特点，分析如下。

图1 φ170辊其中一节粗加工毛坯图

（1）三种毛坯成型工艺的成本比较。通过表1成本构成分析来看，2Cr13厚壁无缝管粗加工成型方式成本明显高于其他两种粗加工成型方式，而且离心铸造成型方式是成本最低的，从成本角度来分析是优选方案[2]。

（2）三种毛坯成型工艺的加工效率比较。从批量成型和采购角度分析，锻轧圆钢和无缝管的制造效率较高，可以进行大规模生产，而离心铸造成型方式适应面较窄，需要定制化小批量制造，大规模生产难以实现。但是，对于连铸辊套这项产品制造而言，属于定制化小批量产品，离心铸造成型是比较适合的[3]。

（3）三种毛坯成型工艺的性能比较。锻轧圆钢毛坯成型方式，尤其是锻圆钢毛坯加工成型，并通过机加工去除中心偏析和缺陷易发生区域，从经验和相关数据分析，性能是比较可靠的，优于教科书与手册的指导方案。

无缝管毛坯成型方式需要简要分析一下。厚壁无缝管的制造，一般采用圆坯或圆钢加热，经过顶孔轧制而成。圆坯或圆钢的生产，由于连铸和冷却结晶等复杂过程，芯部容易产生缺陷。

离心铸造毛坯成型方式，特点一，在很高的重力倍数下，液态金属受到很大的离心力作用，增加管坯的致密度；特点二，在离心力的作用下，由于气体和夹杂的比重较小，所以更有利于气体和夹杂物的排出；特点三，离心浇注的过程中，钢液在高速旋转的型腔中径向分布均匀；特点四，结晶方向由外向内，没有锻造流线，适宜辊面承受压力和高温磨损。归结到内壁的夹杂等危害性缺陷可以集中、快捷去除。

1.2 CSP连铸辊套离心铸造毛坯成型基本工艺方案

①离心铸造管坯，鉴于2Cr13属于马氏体不锈钢，要求铸后管坯采用及时控温缓冷。②管坯完全退火，消除铸造不良组织、细化晶粒，并达到软化易加工的硬度状态。③管坯粗加工，并进行成分复检、硬度检验、外观目测检验和超声波粗探。④整体调质处理，硬度控制在HB235～255，热处理后逐件检测硬度，铸件进行超声波探伤检验。⑤每20套连铸辊套，跟随制造一套检测试样，同规格离心铸管（300mm长）。

1.3 CSP连铸辊套离心铸造毛坯成型过程中发生的问题及解决方案

（1）铸后管坯开裂现象较多，分析原因，一是铸前管模预热不到位，铸造成型冷却过快；二是铸后冷却较快，组织应力和热应力较大，致使管坯冷却开裂。解决办法，预热管模150℃～200℃，并控制生产节奏，保持工艺参数的符合性。再者，采用铸后迅速放入缓冷坑，覆盖保温棉，降低组织应力和热应力。

（2）依据前期经验，检验铸造CSP连铸辊套的化学成分，Cr含量在14%，属于上限，其他成分均在标准规定的中限左右，认为合格。经过多次反复热处理试验，高温1050℃、低温950℃加热，空冷、水冷均都进行了尝试，淬火硬度均在HRC30～35。经过调整验证，最后，Cr的含量控制在10.5%～12%，Mn含量控制在中上限，热处理硬度和晶粒度恢复正常。

2 2Cr13连铸辊的热处理改进工艺

在热处理手册等权威资料中，2Cr13类产品的调质淬火加热温度980℃～1050℃，冷却介质油和空气。从能耗、生产效率和热处理效果来看，油淬和空气淬火，对于连铸辊套都不是较好的选择。基于此考虑，并结合离心铸造的特点，编订改进的热处理工艺曲线，进行了工艺试验。

（1）淬火加热采用台阶式升温保温，基于实验数据，淬火保温温度设定在900℃，淬火冷却方式采用水冷到室温。测定淬火硬度，45HRC～50HRC，相对于高温空冷淬火，硬度提高5HRC左右，硬度均匀性也有所提高。

（2）回火采用650℃保温，回火时间相对高温空冷调质工艺延长1小时～1.5小时，充分释放淬火应力，保障回火组织完全转变。测定最终调质硬度，235HB～255HB，达到目标要求。

（3）经超声波探伤检验，透声性提升非常明显，轴向纵深方向直探头能够完全穿透，底波清晰；壁厚方向，采用斜探头检测，透声性同样满足要求。

表1 2Cr13连铸辊辊身锻圆钢、离心铸管和厚壁无缝钢管成型费用比较

通过130套（390节）的检测，能够达到YB/T036-1992 超声波Ⅱ级和JB/T5000.14-1998渗透Ⅰ级标准的，达到98.7%。

3 质量检验与在线使用效果

（1）质量检验。按照规范进行取样检测，共抽检3个批次，每批试样抽检1组，检测数据如下表。

表2 质量检测分析

（2）在线使用效果。对离心铸造和热处理改进工艺的φ170连铸辊的在线使用跟踪，跟踪批量130根，与2Cr13锻轧圆钢加工的连铸辊全部正常上机使用，在线盲测，没有出现任何异常情况，使用寿命等同。经测试，平均使用寿命可以达到3600炉，过钢量42万吨。

4 结论

①CSP连铸机φ170连铸辊套可以采用2Cr13离心铸造方案加工成型，经济性、加工效率有明显优势。②2Cr13在成分上应严格控制，Cr含量直接影响淬火硬度，而且Cr的含量应该在中下限控制，即10.5%～12%，高于此上限，淬火硬度明显不足，马氏体含量急剧下降。③2Cr13采用900℃批量水冷淬火完全可以满足调质要求，而且淬火硬度及均匀性，均优于高温空冷淬火，可以推广应用。